钙钛矿：第三代光伏技术，产业化雏形已现

行业研究 电气设备 证券研究报告 / 电气设备行业专题研究 钙钛矿：第三代光伏技术，产业化雏形已现 / 2023年12月25日 【投资要点】 钙钛矿电池降本增效前景无限，单结覆盖BIPV等特殊场景，叠层赋能晶硅进一步提效。钙钛矿电池具有转换效率上限高、吸光能力强、带隙可调节、材料成本低、生产流程短等优势。我们认为，短期单结钙钛矿有望率先应用于BIPV和CIPV等特殊场景，中长期钙钛矿与晶硅电池叠层有望赋能光伏行业进一步提效。我们预计，到2030年钙钛矿电池（单结&叠层）产能有望超过400GW。 工艺端技术路线尚未统一，镀膜工艺为核心。钙钛矿生产流程可简化为在TCO玻璃衬底（单结）或硅基（叠层）衬底上先后沉积空穴传输层、钙钛矿层、电子传输层、导电层和背电极，其中穿插激光刻蚀工艺起到切割、开槽和清边作用，最后进行封装测试。1）镀膜工艺：钙钛矿电池镀膜的常见工艺包括以刮涂、狭缝涂布为代表的湿法镀膜工艺和以PVD、蒸镀、RPD、ALD等为代表的干法镀膜工艺。从实际产业化情况看，目前钙钛矿层通常采用狭缝涂布或真空蒸镀的方式沉积，而空穴传输层、电子传输层可分别使用PVD和RPD/ALD工艺沉积。钙钛矿各膜层的沉积方式与钙钛矿材料体系选择息息相关，未来随着钙钛矿技术和材料体系变化，各类镀膜工艺均有应用空间。2）激光刻蚀：钙钛矿电池涉及四道激光刻蚀工序，其中P1、P2、P3激光划线目的是将部分膜层打开，把大面积钙钛矿电池分割为多个子电池，并使多个子电池形成串联结构，而P4激光工序主要起到清边作用，为后道封装前提。 上下游产研联动，产业化雏形已现。随着国内钙钛矿电池技术突飞猛进，技术产业化有提速趋势，以协鑫光电、纤纳光电、极电光能等一大批优秀企业先后落地钙钛矿百兆瓦中试线，并取得优秀的效率表现，目前头部各家GW级产线均已规划建设，预计2024年有望落地。同时，传统晶硅企业依托在晶硅电池上的技术积累，主攻叠层方向，但多数仍处在实验室阶段。设备端，业内企业前瞻性布局钙钛矿镀膜、激光等设备，产品快速迭代升级，京山轻机、捷佳伟创、德龙激光等领先企业均已取得订单并实现出货。材料端，TCO玻璃作为单结钙钛矿电池衬底，成本占比居第一位，金晶科技在2022年5月已经实现自主知识产权的TCO玻璃产线投产，耀皮玻璃通过收购也具备TCO玻璃供应能力；钙钛矿各膜层所需金属靶材、TCO靶材也有优秀企业可供应。 【配置建议】 1）镀膜设备推荐京山轻机、奥来德、捷佳伟创，建议关注微导纳米、曼恩斯特、大胜达等；2）激光设备推荐德龙激光、杰普特，建议关注帝尔激光、迈为股份、英诺激光等；3）TCO玻璃推荐金晶科技，建议关注耀皮玻璃等；4）靶材推荐隆华科技、阿石创等。 【风险提示】 钙钛矿技术进展不及预期；钙钛矿扩产进度不及预期等。 挖掘价值投资成长 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：周旭辉 证书编号：S1160521050001 联系人：唐硕 电话：021-23586475 相对指数表现 12/252/254/256/258/2510/2512/25 12.21% 3.79% -4.64% -13.06% -21.48% -29.91% 电气设备沪深300 相关研究 《特斯拉领衔，人形机器人商业化可期》 2023.12.20 《温控：迈入液冷时代，储能与数据中心温控增量可期》 2023.12.18 《Enphase：2024年户用市场有望恢复》 2023.12.08 《多晶硅：周期、成本和估值探讨》 2023.12.06 《氢燃料电池核心部件拆解，国产化是必要途径》 2023.12.04 2017 正文目录 1.钙钛矿：第三代光伏技术，应用潜力无限4 1.1.钙钛矿材料：结构特性优异，光电应用潜力巨大4 1.2.钙钛矿电池：降本增效前景可期，政策落地产业化提速5 1.3.单结覆盖特殊场景，叠层赋能晶硅提效9 2.工艺：技术路线尚未统一，镀膜工艺为核心13 2.1.生产流程：涉及镀膜、刻蚀、封装三大工艺13 2.2.镀膜工艺：钙钛矿电池核心工艺，湿法干法各有优势14 2.3.激光刻蚀：形成电路结构，实现电池S型串联18 3.上下游产研联动，产业化雏形已现19 3.1.新兴企业量产先行，晶硅研发快速跟进19 3.2.设备升级持续推进，配套材料逐步落地21 4.投资建议：关注设备、材料投资机会23 5.风险提示24 图表目录 图表1：钙钛矿物晶体4 图表2：钙钛矿晶体结构4 图表3：钙钛矿材料在光伏领域的应用5 图表4：钙钛矿材料制造高亮度LED5 图表5：钙钛矿电池工作原理（平面正向电池）5 图表6：单结钙钛矿电池结构示意图6 图表7：叠层钙钛矿电池结构示意图6 图表8：单晶硅电池（蓝）与钙钛矿电池（红）实验室效率对比7 图表9：钙钛矿层厚度仅0.3微米7 图表10：钙钛矿带隙覆盖范围广7 图表11：太阳能钙钛矿材料纯度要求低8 图表12：协鑫光电100MW级别钙钛矿组件量产成本构成（%）8 图表13：晶硅电池及钙钛矿电池生产流程对比8 图表14：钙钛矿政策文件9 图表15：单结钙钛矿电池应用于BIPV和CIPV场景10 图表16：隆基晶硅光伏幕墙转换效率10%-20%10 图表17：2020-2026年中国BIPV新增装机规模（GW）11 图表18：不同结构太阳能电池理论效率极限12 图表19：TOPCon电池升级路径12 图表20：2021-2030年钙钛矿（单结&叠层）产能预测（GW）12 图表21：协鑫光电钙钛矿生产流程及设备示意图13 图表22:晶硅/钙钛矿叠层电池工艺流程14 图表23:钙钛矿湿法镀膜工艺示意图15 图表24：钙钛矿湿法镀膜工艺优缺点对比15 图表25：真空蒸发镀膜示意图16 图表26：真空磁控溅射镀膜示意图16 图表27：典型反应等离子体沉积系统16 图表28：原子层沉积反应示意图16 2017 图表29：一步和两步法溶液涂布制备钙钛矿薄膜17 图表30：气相辅助溶液法示意图17 图表31：各公司钙钛矿薄膜制备工艺选择17 图表32：钙钛矿激光工艺流程18 图表33：P1、P2、P3激光互连示意图19 图表34：各公司产能规划（GW）19 图表35：新兴钙钛矿企业20 图表36：晶硅企业钙钛矿布局20 图表37：钙钛矿镀膜设备相关企业布局情况21 图表38：钙钛矿激光设备相关企业布局情况22 图表39：国内钙钛矿材料相关企业布局情况23 图表40：行业重点关注公司（截至2023-12-20）24 2017 1.钙钛矿：第三代光伏技术，应用潜力无限 1.1.钙钛矿材料：结构特性优异，光电应用潜力巨大 钙钛矿是指结构通式为ABX3的晶体材料。钙钛矿最早由德国矿物学家GustavRose于1839年在俄罗斯的乌拉尔山发现，为纪念他崇拜的地质学家LevPerovski，他将这种晶体命名为钙钛矿（perovskite）。钙钛矿最初仅指钛酸钙(CaTiO3)，后来成为结构通式为ABX3一类化合物的统称。在钙钛矿八面体结构中，A属于较大的阳离子，B属于较小的阳离子，X是阴离子，每个A离子都被B和X离子一起构成的八面体包围。 图表1：钙钛矿物晶体图表2：钙钛矿晶体结构 资料来源：澎湃新闻，东方财富证券研究所资料来源：《高效钙钛矿太阳能电池及其叠层电池研究进展》刘璋等(科学导报，2021)，东方财富证券研究所 钙钛矿材料光电性能优异，应用广泛。钙钛矿材料具备光吸收系数高、载流子迁移率大、合成工艺简单等优点，是极具潜力的光电材料之一。钙钛矿材料凭借优异的光电性质和良好的稳定性，已成为太阳能电池领域的研究热点。同时，钙钛矿材料还应用于LED发光二极管领域，相比传统发光材料，金属卤化物钙钛矿材料具有高光致发光量子产率、窄半峰全宽和光谱可调谐性等。除此之外，钙钛矿材料还可应用于荧光粉、光催化等领域。 2017 图表3：钙钛矿材料在光伏领域的应用图表4：钙钛矿材料制造高亮度LED 资料来源：极电光能，东方财富证券研究所资料来源：中科院海西研究院官网，东方财富证券研究所 1.2.钙钛矿电池：降本增效前景可期，政策落地产业化提速 钙钛矿电池因电池的光电转换层采用钙钛矿结构材料而得名，其中钙钛矿层发挥核心作用。以平面正向电池为例，太阳光透过透明电极和紧邻的ETL层 （图中为TiO2）打在钙钛矿层（MAPbI3）上，并在钙钛矿层上发生光子到激子的转换，光生激子快速弛豫、分离成为自由的电荷与空穴。因钙钛矿层与ETL材料和HTL材料存在能级差，分离的自由电荷和空穴分别通过相应的载流子传输层后外部电极收集形成稳定电流。 图表5：钙钛矿电池工作原理（平面正向电池） 资料来源：《钙钛矿太阳能电池大面积组件制备的研究进展》宋京华（石油化工，2023），东方财富证券研究所 单结钙钛矿电池主要分为正式平面结构、正式介孔结构和反式平面结构。正式（n-i-p）平面结构转换效率相对较高，但是空穴传输层（HTL）位于钙钛矿层上面，对材料的温度耐受性、镀膜设备均有较高要求；正式（n-i-p）介孔结构通过掺杂介孔层提升电子在钙钛矿层与电子传输层（ETL）间的传输能力，但工艺难度提升；反式（p-i-n）平面结构相比正式结构更简便，但转换效率相对较低，是目前商业化量产的主要方向。 2017 图表6：单结钙钛矿电池结构示意图 资料来源：《钙钛矿太阳能电池大面积组件制备的研究进展》宋京华（石油化工，2023），东方财富证券研究所 叠层钙钛矿电池可分为晶硅/钙钛矿叠层、全钙钛矿叠层电池和薄膜/钙钛矿叠层等。叠层电池将不同带隙宽度的电池组合，对太阳光谱进行分段利用，宽带隙电池吸收短波段太阳光，窄带隙电池吸收长波段太阳光，双结叠层电池理论极限转换效率可以达到45%左右。晶硅电池具备成熟工艺，具有1.12eV带隙宽度，与钙钛矿叠层时通常作为底电池，而全钙钛矿叠层电池中通常将宽带隙钙钛矿作为顶电池，窄带隙钙钛矿作为底电池。 图表7：叠层钙钛矿电池结构示意图 TOPCon/钙钛矿叠层电池结构示意图HJT/钙钛矿叠层电池结构示意图全钙钛矿叠层电池结构示意图 资料来源：PV-Tech，《高效率双结钙钛矿叠层太阳能电池研究进展》张美荣等（复合材料学报，2022），《Revealingtheoutputpowerpotentialofbifacialmonolithicall-perovskitetandemsolarcells》HongjiangLi等（eLight，2022），东方财富证券研究所 2017 钙钛矿光电转换效率快速突破，理论效率上限更高。近十年钙钛矿效率进步迅速，单结钙钛矿极限效率可达33%、叠层钙钛矿理论效率可达45%，相较于晶硅电池理论效率上限更高，未来应用前景更大。 图表8：单晶硅电池（蓝）与钙钛矿电池（红）实验室效率对比 资料来源：美国可再生能源实验室NREL，东方财富证券研究所 钙钛矿吸光能力强，带隙可调节。钙钛矿吸光性很强，更容易释放电子。把钙钛矿涂在玻璃或者柔性材料上，只需要0.1-0.5um，就能吸收大部分阳光。而晶硅要想达到同样的效果，至少需要110-150um。此外，由于钙钛矿的成分选择具有灵活性，A、B和X位离子可以被多种元素取代，通过卤素占比调控，可以实现对钙钛矿带隙宽度的调节，这决定了它可以吸收更宽的光谱。 图表9：钙钛矿层厚度仅0.3微米图表10：钙钛矿带隙覆盖范围广 资料来源：能源资讯网，东方财富证券研究所资料来源：华东综合能源服务公众号，东方财富证券研究所 材料丰富价格低廉，杂质容忍度高，成本占比低。钙钛矿材料可选种类众多，其中A、B、X位均多种材料选择，材料储备丰富且价格低廉，同时杂质容忍度较高，硅料纯度需达到99.9999%（6个9），但钙钛矿只需要1个9（95%）。参考协鑫光电100MW钙钛矿组件量产成本构成，钙钛矿材料成本仅占总生产成本的3.1%。 图表11：太阳能钙钛矿材料纯度要求低图表12：协鑫光电100MW级别钙钛矿组件量产成本 构成（%） 30.90%